‘Kompleks yaşam’ın evrimini aydınlatan anıtsal önemde keşifler

Kompleks hücreler yaklaşık 1,8 milyar yıl önce evrildi ve gezegenimizin geleceğini yeniden şekillendirdi. Geçtiğimiz ay yayınlanan çok önemli bir çalışma kompleks yaşamın ilk adımının detaylarını aydınlatıyor.

bilimsoL - Gönensin Ozan Bozdağ

Gezegenimizde 1,8 milyar yıl kadar önce müthiş bir evrimsel değişim başladı: Bir hücre grubu (‘arke’ türü bir mikrop) başka bir hücre grubunu (sonradan hücrenin enerji santralı ‘mitokondri’ye evrilen ‘alfaproto-bakteri’ türü bir mikrobu) içine aldı [1]. Böylece kompleks yaşamın evrimine giden ilk adım atılmış oldu.

Bu iki mikrobun mükemmel işbirliği kompleks (ökaryot) hücrenin evrimini başlatmakla kalmadı, sahip olduğu evrimsel potansiyel sayesinde gezegenimizdeki hayatı eşsiz bir biçimde değiştirdi. Örneğin seks (eşeyli üreme), sadece bu kompleks hücrenin soyundan gelen bir canlı topluluğunda evrildi. Bitkiler, mantarlar, hayvanlar gibi “karmaşık” çokhücreli yaşamı oluşturan tüm canlı grupları yine sadece bu hücre topluluğunun devamı olan soylardan evrildi.

Peki, 1,8 milyar yıl kadar önce başlayan bu evrimsel değişimin ayrıntıları nelerdi? 20. yüzyılın başından itibaren bu evrimsel değişimi açıklamak için birçok hipotez ortaya atılmış ve çok ilginç bilgiler elde edilmişti (Martin vd. 2014). Fakat evsahibi (konakçı) hücre yapısının detayları tartışılıyordu (Archibald 2015).

Örneğin, evsahibi (konakçı arke) hücre ne tür yapısal özelliklere sahipti? Akrabaları olan diğer arkeler gibi basit yapılı mı, yoksa daha karmaşık yapılı bir hücre miydi? [2] Bu soruların cevapları bilinmiyordu.

KOMPLEKS YAŞAMIN EVRİMİNİ AYDINLATMAYA ÇALIŞAN İKİ FARKLI HİPOTEZ

Bilim insanları ev sahibi (konakçı arke) hücrenin 1,8 milyar yıl önceki yapısına dair iki temel hipotez üzerinde duruyordu.

Hipotezlerden birine göre ev sahibi (konakçı) hücre basit bir yapıya sahip ve akrabası olan diğer arke türlerinden pek de farklı değildi. Bugün kompleks hücrelerin (ökaryotların) karakteristiği olan hücre içi yapıların hemen hepsi ancak bakterinin hücreye alınmasından sonra evrilmişti (Archibald 2015).

Diğer hipoteze göre ise evsahibi hücre topluluğu, bakteri ile karşılaşmadan önce hücre içi bazı yeni birimlerin (genlerin/proteinlerin) evrilmesi ile daha basit akrabalarından “karmaşıklaşarak” ayrılmaya başlamıştı. Hücre içi zar yapıları (ilkel organeller) ve hücre iskeletini destekleyen bazı elemanlar bu ayrışmaya başlayan hücre soyunda ortaya çıkmış, bu temel değişimlerden sonra konakçı hücre bakteriyi içerisine almıştı.

Geçtiğimiz ay Nature (2017) dergisinde 6 farklı ülkeden bilim insanının yaptığı keşiflere dayanan bir bilimsel çalışma yayınlandı. Keşifler, 1,8 milyar yıl kadar önce gerçekleşmiş bu evrimsel değişimin detaylarını, ev sahibi hücre yapısının basit mi yoksa daha karmaşık mı olduğu bağlamında, aydınlatıyor.

KOMPLEKS YAŞAMA EN YAKIN ÖZELLEŞMİŞ BİR ‘ARKE’ MİKROP GRUBU KEŞFEDİLİYOR

Araştırmacılar iki hipotezden hangisinin gerçeği yansıttığını araştırmak için, kompleks yaşamın konakçı atası olduğu daha önce yayınlanmış verilerle desteklenen arke mikroplarını keşfetmeye odaklanıyorlar. Bu hedefle arke mikropların yaşadığı okyanus dipleri gibi dünyanın farklı coğrafi bölgelerinden topladıkları örneklerin genom (tüm DNA) dizilerini çıkarıyorlar.

Heyecan verici ilk sonuç yeni keşfedilen mikropların, bugüne kadar incelenmiş mikroplar arasında kompleks yaşamın üyelerine (ökaryotlara) evrimsel olarak en yakın canlılar olmaları (Şekil 1). Kompleks yaşamın kökenine evsahibi hücre bağlamında bakıldığında, tüm kompleks yaşamın, ‘arke’lerin içerisindeki özelleşmiş bir gruptan evrildiği iyice netlik kazanıyor.

Hesaplanan yeni evrimsel ağaca bakıldığında 1,8 milyar yıl kadar önce bakteriyi yutan ev sahibi (konakçı ‘arke’) hücrenin modern takipçilerinin/soylarının keşfedildiği de açık biçimde görülüyor (Şekil 1’de ‘ASGARD’lar ve ‘ökaryot’ların ortak atası gösteriliyor).

ŞEKİL 1: Çalışmada keşfedilen mikroplar basitleştirilmiş bir evrimsel ağaç üzerinde ASGARD ailesi olarak görülüyor. Keşfedilen farklı mikrop türlerine, aynı gruptan keşfedilmiş ilk mikrop olan Loki isimli İskandinav mitolojik tanrıdan devamla, İskandinav mitolojisinin diğer tanrılarından olan Thor, Odin, Heimdall adları verilmiş. Hesaplanan bu evrimsel ağaç, öncelikle ASGARD üyesi arkelerin daha karmaşık bir genoma sahip olup, diğer daha basit genetik/hücresel yapıya sahip arkelerden, ayrı gruplandığını gösteriyor. Ayrıca, keşfedilen ASGARD üyesi bu tekhücreli canlılar, bizim de içinde bulunduğumuz tüm kompleks hücrelerin/yaşamın üyelerini içeren ökaryotlarla, yaşamın geri kalan üyelerinden (“basit” arkeler ve bakterilerden) ayrı biçimde gruplanıyor, ki bu durum 1,8 milyar yıl önce yaşamış evsahibi ortak atanın diğer akrabalarından farklılaşarak, bu iki grubun (ASGARD’ların ve ökaryotların) evriminin başladığını gösteriyor. Şekil Eva Fernandez-Caceres’in çalışmasından alınmıştır.

1,8 MİLYAR YIL ÖNCE YAŞAMIŞ EV SAHİBİ HÜCRENİN GENLERİNİN ORTAYA ÇIKARILMASI

Araştırmacılar, kompleks yaşamın üyelerinin ve çalışmada keşfedilmiş mikropların (‘ASGARD’ların) sahip olduğu ortak genleri tespit etmişler. Bu genler, keşfedilen mikroplara ve kompleks yaşama üye tüm canlılara, 1,8 milyar yıl önce yaşamış ortak atadan aktarılmış durumda (Şekil 1).

Ortaya çıkan çok çarpıcı bir sonuç, 1,8 milyar yıl önce yaşamış evsahibi (konakçı) hücrenin soyunda, henüz (mitokondrinin atası olan) bakteriyi içerisine almadan önce, hücre çeperini/iskeletini destekleyen ve şekillendiren proteinlerden kilit konumda olan bazı yeni genlerin/proteinlerin (aktin, tübülin, ARP2/3) evrildiğini gösteriyor [2].

Bu veriler, bir hücrenin (arkenin) bir diğer hücreyi (bakteriyi) yutması bağlamında düşünülürse, evsahibi (konakçı) hücrenin bu genlerin/proteinlerin evrimi ile esnek bir hücre iskeletine sahip olmasından sonra bakteriyi yuttuğu önermesini akla getiriyor.

EVSAHİBİ ORTAK-ATA DAHA “KARMAŞIK” BİR HÜCRE-İÇİ YAPIYA SAHİPMİŞ

Kompleks hücreleri “basit” hücrelerden ayıran çok önemli bir diğer özellik, kompleks yaşamın üyesi olan hücrelerin içerilerinde görev alan özelleşmiş yapılar (organeller) içermeleri. Ortaya çıkan çok ilginç bir diğer sonuç keşfedilen mikropların DNA dizilerinin, sözü geçen farklı yapılar (organeller) arasında protein taşınımından sorumlu kargolarda görevli genleri/proteinleri içermesi [3].

Bu keşifler yapılana kadar, bu genlerin sadece kompleks yaşamın üyesi olan canlılarda bulunduğu düşünülüyordu. Halbuki 1,8 milyar yıl önce yaşamış ortak ata, bu genlerden bazılarına sahipmiş. 

EVSAHİBİ ORTAK-ATA BAZI “KARMAŞIK” ÖZELLİKLERİN EVRİMİNDEN SONRA BAKTERİYİ YUTUYOR

Tüm bu açıklanan sonuçlara bakıldığında daha önce bahsedilen iki hipotezden hangisinin evrimsel geçmişi tarihsel gerçeğe daha uygun olarak açıkladığı ortada: 1,8 milyar yıl önce (keşfedilen ‘ASGARD’ların atası olan) bir arke türü, diğer arke akrabalarının sahip olmadığı yeni genlerin evrimi ile daha esnek bir hücre çeperi kazanıyor. Yine yeni evrilen hücre içi kargo taşıyan yapılarda görev alan yeni genlerin evrimi de, 1,8 milyar yıl önceki atasal ev sahibi (konakçı) hücre topluluğu soyunda gerçekleşiyor. Genetik ve hücre fizyolojisi bakımından giderek daha “sofistike” bir yapıya evrilen bu atasal topluluk, bütün bu evrimsel değişimlerden sonra (mitokondrinin atası olan) bakteriyi içine alıyor, ve kompleks hücrenin ve ardından kompleks yaşamın evriminin ilk adımı böylece atılmış oluyor [4].

Dipnotlar:

[1] Gezegenimizde yaşamın birimi olan hücreler 3 farklı gruba ayrılıyor: Arke tipi hücreler, bakteri tıpı hücreler, ve kompleks hücre olarak anılan (hücre çekirdeği ve başka organelleri olan) ökaryot tipi hücreler.

[2] Tübülin geni daha önce bazı arke türü mikroplarda bulunmuştu. Fakat keşfedilen mikroplardaki tübülin geni dizisi, kompleks yaşamın sahip olduğu tübülin genlerine, bugüne kadar keşfedilmiş en yakın diziyi içeriyor.

[3] Elbette modern kompleks hücrelerde organeller arası protein kargosu taşıyan sistemin yapıtaşlarından olan bu proteinlerin, 1,8 milyar yıl önce o hücrelerde ne görev aldığını net olarak söylemek mümkün değil. Sonuçta, ev sahibi olan hücreler ve devamı olan bugün keşfedilmiş arke hücreleri sofistike organeller içermiyor. Bu nedenle, bu sistemin üyesi olan genler/proteinler 1,8 milyar yıl önce daha farklı görevler ifşa etmiş olabilir. Bu proteinlerin geçmişte yaşamış atada ne görev aldıklarını bulmak cevabını doğrudan çalışmanın mümkün olmadığı bir konu. Yine de keşfedilen arkelerde ne yaptıkları bulunabilir. Bunun için ise, kesfedilen arkelerin, laboratuvar ortamında büyütülebilmeleri gerekiyor. Şu an bu arkelere dair tüm veriler DNA dizilerinden elde edilmiş durumda, fakat laboratuvarda, ihtiyaç duyacakları besinleri içeren ortamlar bilinmediğinden, büyütülebilmiş değiller. Bu gerçekleştirildiğinde ancak hücre fizyolojisi ortaya çıkarılıp bu genlerin/proteinlerin asıl işlevleri incelenebilecektir.

[4] Kompleks hücrenin gerçek anlamda kompleks hücre (ökaryot) olması bu ilk adımın sonrasında gerçekleşen uzun bir evrimsel süreç. Örneğin, bakterinin enerji santraline evrilmesinde gerçekleşen metabolik yeniden-düzenlemeler, organellerin ve hücre çekirdeğini saran zarla kaplı yapıların son hallerine evrilmesi, iki farklı genoma sahip canlının genomunun yeniden düzenlenmesi, iki farklı soyun ortaklığı olan bu kompleks hücrenin bakteri ve arke bileşenleri arasında meydana gelebilecek pürüzlerin kontrol altına alınması gibi birçok süreç, işte bu adımdan sonra yaşanıyor. Bu sonraki önemli evrimsel değişimler üzerinde birçok bilimsel veri halihazırda yayınlanmış durumda. Yine de ilk bakışta görülenden çok daha karmaşık ve çok daha fazla mikrobiyal-genetik ortağın da yer aldığı bu süreç üzerinde çalışılması gereken bir konu olmaya devam ediyor.

Haber görseli:

pinterest.com

İlgili çalışma:

Zaremba-Niedzwiedzka vd. Asgard archea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity. 2017 Nature doi:10.1038nature21031 

Ek kaynaklar:

Martin vd. Endosymbiotic theories for eukaryote origin. 2014 Philosophical Transactions B http://dx.doi.org/10.1098/rstb.2014.0330

Archibald Endosymbiosis and Eukaryotic Cell Evolution. 2015 Current Biology http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2015.07.055